CN112433297A - 光接收芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种光接收芯片，包括输入耦合单元、偏振旋转单元、光电探测单元、第一传输波导、以及第二传输波导，光信号具有输入TE偏振光和/或输入TM偏振光；偏振旋转单元能够将输入TE偏振光旋转90度转换成输出TM偏振光、且能够将输入TM偏振光旋转90度转换成输出TE偏振光；第一传输波导用于将输入TE偏振光和/或输入TM偏振光从输入耦合单元传输至偏振旋转单元；第二传输波导用于将输出TE偏振光和/或输出TM偏振光从偏振旋转单元传输至光电探测单元；第一传输波导的总长度与第二传输波导的总长度相等，本申请提供的光接收芯片能够实现偏振无关光信号接收。

Description

光接收芯片
技术领域
本申请涉及半导体集成技术领域，尤其涉及一种光接收芯片。
背景技术
现有技术中，光信号经过光接收芯片内的波导传输至光接收芯片的光电探测器上，光电探测器将入射光信号转换为电信号，现有技术中的光接收芯片通常存在的问题是由于接收的光信号具有不同的偏振态，不同偏振态的光在同一个波导中的群折射率往往不同，即不同偏振态的光信号时延不同，导致信号失真。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例期望提供一种光接收芯片，能够避免因光信号具有不同的偏振态而导致信号失真的问题，为达到上述有益效果，本申请实施例的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种光接收芯片，其特征在于，包括：
输入耦合单元，用于接收光信号，所述光信号具有输入TE偏振光和/或输入TM偏振光；
偏振旋转单元，能够将所述输入TE偏振光旋转90度转换成输出TM偏振光、且能够将所述输入TM偏振光旋转90度转换成输出TE偏振光；
光电探测单元，用于将所述输出TE偏振光和/或所述输出TM偏振光转换为电信号；
第一传输波导，用于将所述输入TE偏振光和/或所述输入TM偏振光从所述输入耦合单元传输至所述偏振旋转单元；以及
第二传输波导，用于将所述输出TE偏振光和/或所述输出TM偏振光从所述偏振旋转单元传输至所述光电探测单元；
所述输入TE偏振光在所述第一传输波导中的传播速度与所述输出TE偏振光在所述第二传输波导中的传输速度相等，所述输入TM偏振光在所述第一传输波导中的传播速度与所述输出TM偏振光在所述第二传输波导中的传输速度相等，所述第一传输波导的总长度与所述第二传输波导的总长度相等。
一些实施例中，所述第一传输波导的结构形状和所述第二传输波导的结构形状相同，所述第一传输波导的材料和所述第二传输波导的材料相同。
一些实施例中，所述第一传输波导包括第一波导，所述第二传输波导包括与所述第一波导长度相等的第二波导，所述偏振旋转单元为无定向偏振旋转器，所述第一波导连接所述输入耦合单元的输出端和所述偏振旋转单元的输入端，所述第二波导连接所述偏振旋转单元的输出端和所述光电探测单元的输入端，所述输入TE偏振光和所述输入TM偏振光均通过所述第一波导从所述输入耦合单元传输至所述偏振旋转单元，所述输出TE偏振光和所述输出TM偏振光均通过所述第二波导从所述偏振旋转单元传输至所述光电探测单元。
一些实施例中，所述第一传输波导包括第三波导以及第五波导，所述第二传输波导包括与所述第五波导长度相等的第四波导、以及与所述第三波导长度相等的第六波导，所述光接收芯片包括用于分离所述输入TE偏振光和所述输入TM偏振光的偏振分束单元，所述偏振分束单元包括第一输出端和第二输出端，所述偏振旋转单元包括将所述输入TE偏振光旋转90度转换成所述输出TM偏振光的第一子偏振旋转器、以及将所述输入TM偏振光旋转90度转换成所述输出TE偏振光的第二子偏振旋转器，所述第三波导连接所述第一输出端和所述第一子偏振旋转器的输入端，所述第五波导连接所述第二输出端和所述第二子偏振旋转器的输入端，所述第三波导将所述输入TE偏振光传输至所述第一子偏振旋转器，所述第五波导将所述输入TM偏振光传输至所述第二子偏振旋转器，所述第四波导将所述第一子偏振旋转器输出的所述输出TM偏振光传输至所述光电探测单元，所述第六波导将所述第二子偏振旋转器输出的所述输出TE偏振光传输至所述光电探测单元。
一些实施例中，所述光电探测单元包括第一输入端和第二输入端，所述第四波导连接所述第一子偏振旋转器的输出端和所述第一输入端，所述第六波导连接所述第二子偏振旋转器的输出端和所述第二输入端。
一些实施例中，所述光接收芯片包括用于将所述输出TE偏振光和所述输出TM偏振光合束成一束的偏振合束单元，所述偏振合束单元包括第三输入端和第四输入端，所述第四波导连接所述第一子偏振旋转器的输出端和所述第三输入端，所述第六波导连接所述第二子偏振旋转器的输出端和所述第四输入端，所述偏振合束单元的输出端与所述光电探测单元的输入端连接。
一些实施例中，所述第一子偏振旋转器为定向偏振旋转器或不定向偏振旋转器。
一些实施例中，所述第二子偏振旋转器为定向偏振旋转器或不定向偏振旋转器。
一些实施例中，所述输入耦合器为端面耦合器。
一些实施例中，所述端面耦合器为倒锥形耦合器、悬臂梁耦合器、或三叉戟耦合器。
本申请实施例中，利用输入耦合单元将光信号耦合进入光接收芯片内，输入TE偏振光在第一传输波导中的传播速度与输出TE偏振光在第二传输波导中的传输速度相等，输入TM偏振光在第一传输波导中的传播速度与输出TM偏振光在第二传输波导中的传输速度相等，如此，经过偏振旋转单元，不同传播速度的两种偏振态相互转换，而第一传输波导的总长度与第二传输波导的总长度相等；则，输入TE偏振光第一传输波导中的传输时长与输出TE偏振光在第二传输波导中的传输时长相等，输入TM偏振光在第一传输波导中的传输时长与输出TM偏振光在第二传输波导中的传输时长相等，输入TE偏振光第一传输波导中的传输时长与输出TM偏振光在第二传输波导中的传输时长之和等于输入TM偏振光在第一传输波导中的传输时长与输出TE偏振光在第二传输波导中的传输时长之和，如此，光信号具有的两个偏振态经过第一传输波导和第二传输波导能够几乎同时到达光电探测单元，消除了群折射率造成的光信号的不同偏振态时延不同的影响，实现了偏振无关光信号接收，解决了光信号的偏振态不同造成的信号失真问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光接收芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种光接收芯片的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的又一种光接收芯片的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。下面结合附图及具体实施例对本申请再作进一步详细的说明。
请参见图1～图3，本申请实施例提供一种光接收芯片，光接收芯片包括输入耦合单元10、偏振旋转单元20、光电探测单元30、第一传输波导40、以及第二传输波导50，输入耦合单元10用于接收光信号，光信号具有输入TE偏振光和/或输入TM偏振光；偏振旋转单元20能够将输入TE偏振光旋转90度转换成输出TM偏振光、且能够将输入TM偏振光旋转90度转换成输出TE偏振光，也就是说，偏振旋转单元20能够将输入TE偏振光的偏振方向旋转90度转换成输出TM偏振光、且能够将输入TM偏振光的偏振方向旋转90度转换成输出TE偏振光；光电探测单元30用于将输出TE偏振光和/或输出TM偏振光转换为电信号；第一传输波导40用于将输入TE偏振光和/或输入TM偏振光从输入耦合单元10传输至偏振旋转单元20；第二传输波导50用于将输出TE偏振光和/或输出TM偏振光从偏振旋转单元20传输至光电探测单元30；输入TE偏振光在第一传输波导40中的传播速度与输出TE偏振光在第二传输波导50中的传输速度相等，输入TM偏振光在第一传输波导40中的传播速度与输出TM偏振光在第二传输波导50中的传输速度相等，第一传输波导40的总长度与第二传输波导50的总长度相等。
现有技术的光接收芯片，由于波导中光信号的TE偏振态和TM偏振态两者间的群折射率相差较大，导致TE偏振光和TM偏振光在相同的波导内的传输速度不同，也就是说，光信号被分解为TE偏振光和TM偏振光在同一波导内传输时，TE偏振光和TM偏振光传输到光电探测器所用时间不同，这样就造成了信号失真。
本申请实施例中，利用输入耦合单元10将光信号耦合进入光接收芯片内，输入TE偏振光在第一传输波导40中的传播速度与输出TE偏振光在第二传输波导50中的传输速度相等，输入TM偏振光在第一传输波导40中的传播速度与输出TM偏振光在第二传输波导50中的传输速度相等，如此，经过偏振旋转单元20，不同传播速度的两种偏振态相互转换，而第一传输波导40的总长度与第二传输波导50的总长度相等；则，输入TE偏振光在第一传输波导40中的传输时长与输出TE偏振光在第二传输波导50中的传输时长相等，输入TM偏振光在第一传输波导40中的传输时长与输出TM偏振光在第二传输波导50中的传输时长相等，输入TE偏振光在第一传输波导40中的传输时长与输出TM偏振光在第二传输波导50中的传输时长之和等于输入TM偏振光在第一传输波导40中的传输时长与输出TE偏振光在第二传输波导50中的传输时长之和，如此，光信号具有的两个偏振态经过第一传输波导40和第二传输波导50能够几乎同时到达光电探测单元30，消除了群折射率造成的光信号的不同偏振态时延不同的影响，实现了偏振无关光信号接收，解决了光信号的偏振态不同造成的信号失真问题，本申请实施例提供的光接收芯片，能够实现偏振无关光信号接收，结构简单而且容差较大。
可以理解的是，本申请实施例中，光信号具有输入TE偏振光和/或输入TM偏振光是指，光信号可以为仅具有TE偏振态的光信号；光信号也可以为仅具有TM偏振态的光信号；光信号还可以为具有TE偏振态和TM偏振态的光信号；本申请实施例提供的光接收芯片，能够接收仅具有TE偏振态的光信号，也能够接收仅具有TM偏振态的光信号，当光信号具有TE偏振态和TM偏振态时，光接收芯片可以实现偏振无关光信号接收。光信号具有的偏振态并不影响光接收芯片的接收。
需要说明的是，输入TE(横电场模)偏振光和输出TE(横电场模)偏振光均是指电场方向与传播方向垂直的偏振光。输入TM(横磁场模)偏振光和输出TM(横磁场模)偏振光均是指磁场方向与传播方向垂直的偏振光。
一实施例中，请参见图1，第一传输波导40的结构形状和第二传输波导50的结构形状相同，第一传输波导40的材料和第二传输波导50的材料相同。如此，能够保证输入TE偏振光在第一传输波导40中的传播速度与输出TE偏振光在第二传输波导50中的传输速度相等，输入TM偏振光在第一传输波导40中的传播速度与输出TM偏振光在第二传输波导50中的传输速度相等。具体的，第一传输波导40的线宽与第二传输波导50的线宽大致相同，第一传输波导40的高度与第二传输波导50的高度大致相同。
一实施例中，光接收芯片为硅基集成芯片，可以利用较为成熟的CMOS工艺制备本申请实施例的光接收芯片，便于工艺兼容，降低生产成本。
一些实施例中，在平行于衬底的表面的方向，第一传输波导40和第二传输波导50均可以为直波导、倾斜波导、弯曲波导、或宽度变化波导等；在垂直于衬底的表面的方向，第一传输波导40和第二传输波导50均可以为条形波导、脊型波导、梯形波导、多层堆叠型波导等等。示例性的，在平行于衬底的表面的方向，第一传输波导40为条形波导、且第二传输波导50也为条形波导。
一些实施例中，第一传输波导40和第二传输波导50的材料均包括但不限于单晶硅、氮化硅、多晶硅、二氧化硅或聚合物等等。示例性的，第一传输波导40的材料为硅、且第二传输波导50的材料也为硅。
一具体实施例中，光接收芯片集成于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)衬底上，SOI衬底包括由底至顶依次分布的衬底硅层、埋氧层和半导体硅层，在半导体硅层上形成第一传输波导40和第二传输波导50。
需要说明的是，底顶方向是指垂直于衬底所在平面的方向。
一实施例中，请参见图1，第一传输波导40包括第一波导41，第二传输波导50包括第二波导51，第一波导41的长度与第二波导51的长度相等，偏振旋转单元20为无定向偏振旋转器，第一波导41连接输入耦合单元10的输出端和偏振旋转单元20的输入端，第二波导51连接偏振旋转单元20的输出端和光电探测单元30的输入端，输入TE偏振光和输入TM偏振光均通过第一波导41从输入耦合单元10传输至偏振旋转单元20，输出TE偏振光和输出TM偏振光均通过第二波导51从偏振旋转单元20传输至光电探测单元30。如此设计，结构简单，能够保证输入TE偏振光在第一波导41内的传输时长与输出TE偏振光在第二波导51内的传输时长相等，输入TM偏振光在第一波导41内的传输时长与输出TM偏振光在第二波导51内的传输时长相等，输入TE偏振光在第一波导41内的传输时长与输出TM偏振光在第二波导51内的传输时长之和等于输入TM偏振光在第一波导41内的传输时长与输出TE偏振光在第二波导51内的传输时长之和，光信号具有的两个偏振态经过第一波导41和第二波导51能够几乎同时到达光电探测单元30，消除了群折射率造成的光信号的不同偏振态时延不同的影响，实现了偏振无关光信号接收。
需要说明的是，无定向偏振旋转器是指从任意输入端进入的光的偏振方向均旋转90度的偏振旋转器。
一实施例中，请参见图2和图3，第一传输波导40包括第三波导42以及第五波导43，第二传输波导50包括第四波导52以及第六波导53，第三波导42的长度与第六波导53的长度相等，第四波导52的长度与第五波导43的长度相等，光接收芯片包括用于分离输入TE偏振光和输入TM偏振光的偏振分束单元60，偏振分束单元60包括第一输出端61和第二输出端62，偏振旋转单元20包括第一子偏振旋转器21和第二子偏振旋转器22，第一子偏振旋转器21将输入TE偏振光旋转90度转换成输出TM偏振光，第二子偏振旋转器22将输入TM偏振光旋转90度转换成输出TE偏振光，第三波导42连接第一输出端61和第一子偏振旋转器21的输入端，第五波导43连接第二输出端62和第二子偏振旋转器22的输入端，第三波导42将输入TE偏振光传输至第一子偏振旋转器21，第五波导43将输入TM偏振光传输至第二子偏振旋转器22，第四波导52将第一子偏振旋转器21输出的输出TM偏振光传输至光电探测单元30，第六波导53将第二子偏振旋转器22输出的输出TE偏振光传输至光电探测单元30。
偏振分束单元60用于分离输入TE偏振光和输入TM偏振光，以便输入TE偏振光和输入TM偏振光分开传播；输入TE偏振光在第三波导42内的传输时长与输出TE偏振光在第六波导53内的传输时长相等，输入TM偏振光在第五波导43内的传输时长与输出TM偏振光在第四波导52内的传输时长相等，也就是说，输入TE偏振光在第三波导42内的传输时长与输出TM偏振光在第四波导52内的传输时长之和等于输入TM偏振光在第五波导43内的传输时长与输出TE偏振光在第六波导53内的传输时长之和，如此，光信号具有的两个偏振态能够几乎同时到达光电探测单元30，消除了群折射率造成的光信号的不同偏振态时延不同的影响，实现了偏振无关光信号接收。
一实施例中，请参见图2，光电探测单元30包括第一输入端31和第二输入端32，第四波导52连接第一子偏振旋转器21的输出端和第一输入端31，第六波导53连接第二子偏振旋转器22的输出端和第二输入端32。第四波导52将输出TM偏振光从第一子偏振旋转器21的输出端传输至第一输入端31，第六波导53将输出TE偏振光从第二子偏振旋转器22的输出端传输至第二输入端32，利用光电探测单元30的第一输入端31和第二输入端32，便于第四波导52直接将输出TM偏振光传输至光电探测单元30，第六波导53直接将输出TE偏振光传输至光电探测单元30，结构简单。
一实施例中，请参见图3，光接收芯片包括用于将输出TE偏振光和输出TM偏振光合束成一束的偏振合束单元70，偏振合束单元70包括第三输入端71和第四输入端72，第四波导52连接第一子偏振旋转器21的输出端和第三输入端71，第六波导53连接第二子偏振旋转器22的输出端和第四输入端72，偏振合束单元70的输出端与光电探测单元30的输入端连接。第四波导52将输出TM偏振光从第一子偏振旋转器21的输出端传输至第三输入端71，第六波导53将输出TE偏振光从第二子偏振旋转器22的输出端传输至第四输入端72，输出TM偏振光和输出TE偏振光通过偏振合束单元70合束成一束，再从偏振合束单元70的输出端传输至光电探测单元30内。
一实施例中，第一子偏振旋转器21和第二子偏振旋转器22均为定向偏振旋转器。具体的，定向偏振旋转器是指特定偏振态的偏振光只能从对应的输入端输入且偏振方向旋转90度的偏振旋转器。
另一实施例中，第一子偏振旋转器21和第二子偏振旋转器22均为不定向偏振旋转器。又一些实施例中，第一子偏振旋转器21和第二子偏振旋转器22其中一个为不定向偏振旋转器，第一子偏振旋转器21和第二子偏振旋转器22其中另一个为不定向偏振旋转器。
一实施例中，请参见图1～图3，输入耦合器为端面耦合器。端面耦合器具有耦合效率高、工作带宽大等特性，以便外部传输光纤内的光信号能够更好地耦合进入光接收芯片内，端面耦合器还便于光接收芯片的封装。端面耦合器通常位于衬底的边缘。
一实施例中，端面耦合器为倒锥形耦合器、悬臂梁耦合器、或三叉戟耦合器。
一实施例中，端面耦合器的材料包括但不限于单晶硅、氮化硅、多晶硅、二氧化硅或聚合物等等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光接收芯片，其特征在于，包括：
输入耦合单元，用于接收光信号，所述光信号具有输入TE偏振光和/或输入TM偏振光；
偏振旋转单元，能够将所述输入TE偏振光旋转90度转换成输出TM偏振光、且能够将所述输入TM偏振光旋转90度转换成输出TE偏振光；
光电探测单元，用于将所述输出TE偏振光和/或所述输出TM偏振光转换为电信号；
第一传输波导，用于将所述输入TE偏振光和/或所述输入TM偏振光从所述输入耦合单元传输至所述偏振旋转单元；以及
第二传输波导，用于将所述输出TE偏振光和/或所述输出TM偏振光从所述偏振旋转单元传输至所述光电探测单元；
所述输入TE偏振光在所述第一传输波导中的传播速度与所述输出TE偏振光在所述第二传输波导中的传输速度相等，所述输入TM偏振光在所述第一传输波导中的传播速度与所述输出TM偏振光在所述第二传输波导中的传输速度相等，所述第一传输波导的总长度与所述第二传输波导的总长度相等。
2.根据权利要求1所述的光接收芯片，其特征在于，所述第一传输波导的结构形状和所述第二传输波导的结构形状相同，所述第一传输波导的材料和所述第二传输波导的材料相同。
3.根据权利要求1所述的光接收芯片，其特征在于，所述第一传输波导包括第一波导，所述第二传输波导包括与所述第一波导长度相等的第二波导，所述偏振旋转单元为无定向偏振旋转器，所述第一波导连接所述输入耦合单元的输出端和所述偏振旋转单元的输入端，所述第二波导连接所述偏振旋转单元的输出端和所述光电探测单元的输入端，所述输入TE偏振光和所述输入TM偏振光均通过所述第一波导从所述输入耦合单元传输至所述偏振旋转单元，所述输出TE偏振光和所述输出TM偏振光均通过所述第二波导从所述偏振旋转单元传输至所述光电探测单元。
4.根据权利要求1所述的光接收芯片，其特征在于，所述第一传输波导包括第三波导以及第五波导，所述第二传输波导包括与所述第五波导长度相等的第四波导、以及与所述第三波导长度相等的第六波导，所述光接收芯片包括用于分离所述输入TE偏振光和所述输入TM偏振光的偏振分束单元，所述偏振分束单元包括第一输出端和第二输出端，所述偏振旋转单元包括将所述输入TE偏振光旋转90度转换成所述输出TM偏振光的第一子偏振旋转器、以及将所述输入TM偏振光旋转90度转换成所述输出TE偏振光的第二子偏振旋转器，所述第三波导连接所述第一输出端和所述第一子偏振旋转器的输入端，所述第五波导连接所述第二输出端和所述第二子偏振旋转器的输入端，所述第三波导将所述输入TE偏振光传输至所述第一子偏振旋转器，所述第五波导将所述输入TM偏振光传输至所述第二子偏振旋转器，所述第四波导将所述第一子偏振旋转器输出的所述输出TM偏振光传输至所述光电探测单元，所述第六波导将所述第二子偏振旋转器输出的所述输出TE偏振光传输至所述光电探测单元。
5.根据权利要求4所述的光接收芯片，其特征在于，所述光电探测单元包括第一输入端和第二输入端，所述第四波导连接所述第一子偏振旋转器的输出端和所述第一输入端，所述第六波导连接所述第二子偏振旋转器的输出端和所述第二输入端。
6.根据权利要求4所述的光接收芯片，其特征在于，所述光接收芯片包括用于将所述输出TE偏振光和所述输出TM偏振光合束成一束的偏振合束单元，所述偏振合束单元包括第三输入端和第四输入端，所述第四波导连接所述第一子偏振旋转器的输出端和所述第三输入端，所述第六波导连接所述第二子偏振旋转器的输出端和所述第四输入端，所述偏振合束单元的输出端与所述光电探测单元的输入端连接。
7.根据权利要求4所述的光接收芯片，其特征在于，所述第一子偏振旋转器为定向偏振旋转器或不定向偏振旋转器。
8.根据权利要求4所述的光接收芯片，其特征在于，所述第二子偏振旋转器为定向偏振旋转器或不定向偏振旋转器。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的光接收芯片，其特征在于，所述输入耦合器为端面耦合器。
10.根据权利要求9所述的光接收芯片，其特征在于，所述端面耦合器为倒锥形耦合器、悬臂梁耦合器、或三叉戟耦合器。
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